王金安等：综放开采顶煤与覆岩力链结构及演化光弹试验研究 ·21· (c) d 图8竖向和水平力作用下双关键层顶煤与覆岩力链结构及演化.(a)初始状态：(b)B1放出T2个颗粒：(c)B2放出85个颗粒：(d)B5 放出95个颗粒 Fig.8 Force chain structure and evolution in top coal and double key overlaying strata under vertical and horizontal loadings:(a)initial force chain; (b)taking out 72 particles at Bl (c)taking out 85 particles at B2 (d)taking out 95 particles at B5 (2)综放开采打破了初始力链网络的平衡状态，断裂失稳阶段，放煤口附近煤岩没有强力链发育，预示 形成梁-拱形力链结构.开采初期，顶煤力链拱顶发育 综放工作面支架载荷主要由力链拱内的岩体自重和覆 到关键层，与关键层力键共同形成承载结构体系.随 岩运动形成的动压两部分组成.当主关键层发生断裂 着工作面推进和顶煤放出，关键层弯曲、断裂失稳，力时，由主关键层力键将所承载荷以强力链方式传递到 链拱穿越关键层向上发育到上覆岩体，形成更大规模 下位亚关键层中，造成亚关键层的超前断裂，形成工作 的力链拱结构.力链拱内的顶煤和关键层处于低荷载 面及前方煤体大面积来压. 和失稳状态. (5)顶煤和覆岩中的力链网络结构和强度与边界 (3)强力链拱脚作用是构成综放开采工作面前方 载荷条件关系密切.在双向力作用下，顶煤与覆岩内 支承压力的主要力源.强力链拱脚位置与关键层中强 的梁-拱力链效应将更加显著，整体拱结构形态发育 力键所在的位置相对应.关键层弯曲下沉导致中性层 完整，横向力的作用使所形成强力链网络更加密集，力 下部曲率发生变化位置，易出现强力键发育，并将上部 链拱结构更加稳固，关键层断裂失稳时拱脚对工作面 荷载集中传递到下覆岩层和工作面前方顶煤中.一个 煤层的作用力更加强大 值得注意的现象是：当主、次关键层发生断裂失稳时， 本文展示的是在宏观背景下顶煤与覆岩力链结构 出现采空区上方强力链拱沉降、工作面前方的强力链 及演化特征的试验结果.综放采场顶煤与覆岩力链网 拱脚回退，力链分布密集，力链强度增加，构成工作面 络构型、拓扑关系及演化规律更深入的研究，需要基于 来压现象 颗粒体接触、摩擦、转动、缠结、簇团解体等细观机制的 (4)顶煤放出口附近煤岩普遍处于弱力链网络环 理论分析，特别是力链网络演化及突变给采场带来的 境.在工作面推进和顶煤放出阶段，以及上覆关键层 灾变作用，还有待在力链的定量提取和描述上做更进王金安等: 综放开采顶煤与覆岩力链结构及演化光弹试验研究 图 8 竖向和水平力作用下双关键层顶煤与覆岩力链结构及演化. (a)初始状态; (b) B1 放出 72 个颗粒; (c) B2 放出 85 个颗粒; (d) B5 放出 95 个颗粒 Fig. 8 Force chain structure and evolution in top coal and double key overlaying strata under vertical and horizontal loadings: (a) initial force chain; (b) taking out 72 particles at B1 (c) taking out 85 particles at B2 (d) taking out 95 particles at B5 (2) 综放开采打破了初始力链网络的平衡状态, 形成梁鄄鄄拱形力链结构. 开采初期,顶煤力链拱顶发育 到关键层,与关键层力键共同形成承载结构体系. 随 着工作面推进和顶煤放出,关键层弯曲、断裂失稳,力 链拱穿越关键层向上发育到上覆岩体,形成更大规模 的力链拱结构. 力链拱内的顶煤和关键层处于低荷载 和失稳状态. (3) 强力链拱脚作用是构成综放开采工作面前方 支承压力的主要力源. 强力链拱脚位置与关键层中强 力键所在的位置相对应. 关键层弯曲下沉导致中性层 下部曲率发生变化位置,易出现强力键发育,并将上部 荷载集中传递到下覆岩层和工作面前方顶煤中. 一个 值得注意的现象是:当主、次关键层发生断裂失稳时, 出现采空区上方强力链拱沉降、工作面前方的强力链 拱脚回退,力链分布密集,力链强度增加,构成工作面 来压现象. (4) 顶煤放出口附近煤岩普遍处于弱力链网络环 境. 在工作面推进和顶煤放出阶段,以及上覆关键层 断裂失稳阶段,放煤口附近煤岩没有强力链发育,预示 综放工作面支架载荷主要由力链拱内的岩体自重和覆 岩运动形成的动压两部分组成. 当主关键层发生断裂 时,由主关键层力键将所承载荷以强力链方式传递到 下位亚关键层中,造成亚关键层的超前断裂,形成工作 面及前方煤体大面积来压. (5) 顶煤和覆岩中的力链网络结构和强度与边界 载荷条件关系密切. 在双向力作用下,顶煤与覆岩内 的梁鄄鄄拱力链效应将更加显著,整体拱结构形态发育 完整,横向力的作用使所形成强力链网络更加密集,力 链拱结构更加稳固,关键层断裂失稳时拱脚对工作面 煤层的作用力更加强大. 本文展示的是在宏观背景下顶煤与覆岩力链结构 及演化特征的试验结果. 综放采场顶煤与覆岩力链网 络构型、拓扑关系及演化规律更深入的研究,需要基于 颗粒体接触、摩擦、转动、缠结、簇团解体等细观机制的 理论分析,特别是力链网络演化及突变给采场带来的 灾变作用,还有待在力链的定量提取和描述上做更进 ·21·